激光深熔焊运动熔池瞬态形成过程数值模拟

考虑到表面张力、浮力、液-固相之间内作用力、焊接速度、紊流、对流以及辐射等影响因素,建立激光深熔焊接过程运动熔池的数学模型,并对熔池的温度、流动、焊缝形貌的动态演化过程进行预测.结果表明,运动熔池形成过程中,变宽的趋势比拉长的趋势大,在宽度上达到最大值后继续拉长、变尖,达到准稳态;运动熔池上部分对流传热起主导作用,下部扩散传热起主导作用;Marangoni力是运动熔池上部变宽、拉长的主要作用力。数值模拟得到的熔池动态结果与实际拍摄的试验结果吻合较好。     

激光深熔焊过程熔池小孔发声数值计算与试验分析

激光深熔焊过程中产生的声信号是激光焊接过程质量检测的重要参量.文中对3.5 mm厚的低碳钢板进行焊接速度分别为3,4和5 cm/s的工艺试验,得到了三种典型的熔池小孔,即平底形熔池小孔、锥形熔池小孔和匙形熔池小孔.通过对声信号的频谱分析,得到这三种不同形状的熔池小孔的共振频率分别为:1 503.9 Hz、1 894.53 Hz和2 792.96 Hz.同时,文中对试验得到的三种形状的熔池小孔发声过程进行了数值分析,得到了对应的共振频率,分别为:1 453.125 Hz、1 890.625 Hz和2 750 Hz.数值计算得到的结果与试验结果误差在5%范围内.结果表明,文中所建立的熔池小孔模型能很好的反映出实际的焊接过程声信号的声场分布,为声信号在质量检测中的应用提供理论基础.     

激光焊接瞬态小孔与运动熔池行为模拟

提出了一种三维瞬态小孔与瞬态熔池相结合的激光小孔焊接耦合数学模型.该模型综合考虑了多重反射菲尼尔吸收、小孔界面上的间断边界条件、金属蒸气/等离子体的辐射传热、Marangoni力、固-液相间的摩擦力、浮力、粘性力、蒸发潜热、熔化/凝固潜热,以及热传导、对流、辐射等多种因素对激光小孔焊接过程的耦合作用.采用水平集方法和快速扫描方法对小孔演化方程进行求解,得到了三维瞬态小孔形貌;并采用SOLA方法求解了瞬态熔池的三维传热和流动过程.结果表明,该模型能够较好地模拟激光小孔焊接中瞬态小孔和熔池的动态演化行为.     

激光深熔焊熔池X光图像恢复与特征分析

X光对于焊件具有很强的穿透性,可以利用其观测和分析激光深熔焊过程焊件内部熔池形态以及匙孔能量传递效果,实现对焊接过程有效地实时监测.在大功率光纤激光焊接304不锈钢过程中,由于X光图像采集过程中的噪声干扰,导致熔池X光图像存在严重退化现象,清晰度不高,识别性较差.为此研究一种图像恢复和增强算法,对熔池X光退化图像进行恢复和增强处理,使其在处理后能够更好地被识别.以盲去卷积法试验估计出熔池X光图像退化的点扩散函数,并以此函数为参数对熔池X光图像进行维纳滤波恢复,再进行灰度变换以增强图像,进而对熔池动态特性进行分析.结果表明,所提出的方法能够有效改善激光焊过程熔池X光图像质量,突出熔池边缘轮廓特征.     

表面张力对激光深熔焊熔池流动的影响

为研究激光深熔焊中表面张力对熔池流动行为及熔池形貌的影响,获得活性剂对Q235低碳钢和304L不锈钢焊缝截面形貌的影响规律. 基于有限元计算软件Fluent,计算分析了激光深熔焊时表面张力在改变熔池流动行为中的重要作用. 结果表明,未添加活性剂焊接时,熔池液态金属的表面张力温度系数为负,熔池表面熔融金属以匙孔为中心由内向外流动,焊缝横截面形貌宽且浅. 添加活性剂焊接后,表面张力温度系数为正值,在熔池表面形成了由外向内的反向流动,形成了窄且深的焊缝形貌. 随表面张力温度系数绝对值的增大,表面张力变大,流体流动速度增大.     

焊接熔池数值模拟的研究现状

焊接是一个非常复杂的物理、化学过程,利用数值模拟能够详细反映出焊接过程中的一系列变化,国内外学者已在流体动力学熔池模型研究中取得显著进展。弧焊和激光焊是两种广泛采用的焊接方法,综述了这两种焊接方法熔池数值模拟的研究现状,通过分析现阶段模拟现状,为进一步研究提供引导。     

基于视觉的不锈钢Nd：YAG激光焊焊接熔池和小孔的图像处理

在激光焊接过程中存在众多干扰因素,为保证焊接质量,需要对激光焊进行质量控制。实现焊接质量控制的关键是表征焊接质量信息的获取,而焊接熔池和小孔包含丰富的焊接质量信息。针对不锈钢Nd：YAG激光焊,构建了同轴视觉检测系统,获得了熔池和小孔图像。根据熔池和小孔图像的特点,设计了图像处理算法,并分别针对熔池和小孔确定了搜索起始点和搜索准则。     

大功率激光焊熔池特性的数值模拟

用数值模拟的方法解释了大功率激光高速焊接时熔池呈窄而长形状的形成原因.在PHOENICS 3.4软件中建立了激光焊接的三维数学模型,假设小孔呈GAUSS曲面体形状,并在其上加载反蒸发力,重点考虑反蒸发力对熔池形状的影响,模拟了SUS304不锈钢在激光功率10 kW、焊速为4～20 m/min时的熔池的温度场和流场.计算结果表明,大功率激光高速焊接时喷发的等离子体加速了"匙孔"附近液态金属的流动,是大功率激光焊时产生长熔池现象的主要原因.     

激光焊接熔池动态行为数值模拟的进展与分析

激光焊接匙孔和熔池行为与焊接缺陷的形成和焊接质量直接相关,研究激光焊接匙孔和熔池行为对理解激光焊接机理和控制焊接质量具有重要意义。国内外学者根据焊接过程中的物理现象和测试数据,提出了相应的数学模型和计算方法,来模拟熔池内部的流动行为、匙孔的演化行为及其内部金属蒸汽的动力学行为,通过激光焊接熔池行为的数值模拟可提前预测并采取相应措施降低焊接缺陷的形成,将有利于提高激光焊接工件的焊缝质量。对国内外激光焊接熔池行为的数值模拟技术,如激光深熔焊、双束激光焊接、真空激光焊接、磁场作用下的激光焊接、液态金属作用下的激光焊接熔池动态行为数值模拟的研究现状进行了分析和概括,以期为激光焊接熔池数值模拟方面的研究提供参考。     

光纤激光焊接熔池和小孔的高速摄像与分析

采用主动光源和光学窄带滤光片等辅助器件,利用高速摄像技术对光纤激光焊接过程中的熔池和小孔进行了拍摄,获得了较为清晰的熔池和小孔图像,以及不同激光功率下光纤激光焊接熔池和小孔的实际尺寸,可以为光纤激光焊接熔池和小孔的模拟提供可靠的参考依据。对高速摄像图片和焊缝熔深波动以及焊缝形貌进行了分析。结果表明:小孔前沿附近是光纤激光焊接过程中飞溅产生的主要区域;利用高速摄像可以监测焊缝的熔深变化;熔池温度最低的区域为熔池后部的中轴线两侧,而非熔池边界处。     

激光深熔焊接抛物面小孔模型

激光深熔焊接由于其无与伦比的优良特性成为高功率激光工业应用的主要方面.在假设小孔为旋转抛物面结构的基础上,通过分析小孔内的压力平衡、蒸发压力、表面张力、能量平衡、小孔壁的温度以及小孔底部的能量平衡问题,采用数值迭代方法求解出小孔的深度和宽度.将焊接中的理论分析由假设小孔形状为圆柱面只能适合低速焊接推广到中高速焊接.计算了在不同焊接速度下小孔的深度、宽度以及与焊接试验的焊缝深度,与焊接试验中得到的结果进行了比较,理论计算结果也比较吻合实际焊接情况.     

激光扫描焊接熔池及等离子体动态行为

以5A06铝合金为试验材料,采用高速摄影技术对激光扫描焊接过程中的熔池及等离子体羽辉动态行为进行拍摄,对比分析了常规单激光焊接与激光扫描焊接条件下的熔池表面流动特征和等离子体羽辉波动特征. 结果表明,一定条件下的摆动激光光束相比于单激光光束,能够极大地增强等离子体羽辉的稳定性,延长其存在周期,同时熔池流动的方向性增强,稳定性提高,整个焊接液态熔池表面不存在“回流”现象,熔池流动产生的流体动压力对匙孔的冲击力作用降低,匙孔的稳定性提高.     

Dynamic keyhole profile during high-power deep-penetration laser welding

Based on a butt-joint configuration assembled from transparent glass and stainless steel, the dynamic keyhole profile was observed during 10-kW fiber laser welding. The “gauffers” and vapor flow on the front keyhole wall moved downwards to the bottom of the keyhole. The downward-flowing vapor met the upward-flowing vapor at the bottom of the keyhole, which resulted in a whirlpool of vapor. The suspended droplets were drove to move in a random fashion by the whirlpool. The fluctuating vapor flow and pressure were the key factors causing the fluctuating keyhole wall and resulting in a vapor-generated wave (VGW) on the rear keyhole wall. The dynamic VGW was a very important factor affecting the dynamic welding process. When the VGW broke at the keyhole outlet, it was accompanied by swellings, spatter, columns, a decrease of the diameter of keyhole inlet, and a change in the direction of plume.     

基于SYSWELD的激光复合焊焊接变形数值模拟

地铁作为一种重要的交通工具,在城市生活中起着越来越重要的作用,地铁同时具有绿色无污染、准时、运载能力强等优点. 选用3D高斯+双椭球热源,采用固有应变法,对地铁牵引梁在不同约束情况下的焊接变形进行了模拟. 在模拟现有约束情况的基础上,另外设计了3种约束情况. 结果表明,采用固有应变法的模拟与实测结果吻合较好,x,z向最大变形都出现在方案2中,分别为2.46和13.13 mm,y向变形稳定在1.63 mm左右;将变化率方差最大的角变形作为评价标准,得到方案4最合理,角变形最小为1.21°.     

基于阴影的激光深熔焊熔池形态分析

熔池形态特别是熔池体积使用现有测量手段难以直接进行测量.采用大功率盘形激光对304型不锈钢厚板进行平板堆焊,通过外加辅助强红外激光光源投射熔池阴影,采用高速摄像机加装组合滤光片摄取清晰地熔池及其阴影动态图像,提取焊接过程中熔池投射阴影的面积变化,并进行一元线性回归和相关性分析.结果表明,熔池的阴影面积变化与焊接质量存在正相关性,为焊接质量检测提供了新方法.     

Nd:YAG激光深熔焊接过程中小孔的形态特征

通过图像处理得到了Nd:YAG激光深熔焊接过程中小孔内外边缘宽长比、内外边缘中心到激光光斑中心以及内外边缘中心之间的距离,并将其作为小孔的形态特征参数,研究了小孔形态随焊接工艺参数变化的规律.研究结果表明,激光功率的增大使小孔径向形状趋向圆形并使其在深度方向上的倾斜程度减小;在低速焊时,小孔形态基本不变,而在中高速焊接时,随着焊接速度的增大,小孔径向形状沿焊接方向拉长,小孔的倾斜程度也不断增大;在一定离焦量范围内,离焦量的变化对小孔在径向和深度方向上的形态影响较小.     

钛合金薄板激光反射叠加深熔焊成形工艺优化

针对现有薄板激光深熔焊方法的不足,提出了一种新的薄板激光深熔焊方法—激光反射叠加焊。基于正交优化和单因素优化试验,以焊缝形貌特征为评价指标,对钛合金薄板激光反射叠加焊接成形工艺参数进行了优化。结果表明,扫描速度是其主要影响因素,离焦量次之,而激光功率的影响则很小;随着扫描速度的减小,焊缝宏观形貌由倒V形依次转变为近X形、H形和Y形。在文中试验条件下,优化后的激光焊接成形工艺参数为功率500W、扫描速度30mm/s、离焦量-0.5mm,在此工艺参数下获得了背宽比几乎等于1且焊缝宽度一致性好的H形焊缝,而且施焊背面几乎不存在焊缝凹陷缺陷。